Что такое сигнал PAM4 и задачи тестирования его характеристик

Использование аналоговых сигналов для передачи цифровой информации эффективно увеличило скорость передачи данных. Поскольку скорость последовательной передачи данных достигает 56 Гбит / с на канал и выше, ухудшение сигнала, вызванное увеличением полосы пропускания, побудило индустрию высокоскоростной последовательной передачи данных принять PAM4. Однако эта схема кодирования сигналов также сталкивается с рядом проблем при практическом применении. В этом кратком обзоре технологий описаны различия между NRZ и PAM4. модуляции и анализирует некоторые проблемы и соответствующие методы тестирования сигналов PAM4.

1. Что такое сигнал PAM4 и NRZ?

NRZ (Non-Return-to-Zero), также известный как 2-уровневая амплитудно-импульсная модуляция (PAM2), представляет собой традиционную схему кодирования цифрового сигнала. Этот метод модуляции имеет два уровня напряжения для представления логического 0 и логического 1. Каждый период символа сигнала может передавать 1 бит логической информации. Принимая во внимание, что сигнал PAM может использовать больше уровней сигнала напряжения, так что каждый период символа сигнала может передавать больше битов логической информации. Например, сигнал PAM4 использует 4 разных уровня сигнала для передачи данных, и каждый период символа может представлять 2 бита логической информации (0, 1, 2, 3). На следующем рисунке показана разница формы сигнала между типичным сигналом NRZ и сигналом PAM4.

 

∆ Частота сигнала NRZ и частотный спектр сигнала PAM4


2. PAM-4 против NRZ

Поскольку сигнал PAM4 может передавать 2 бита информации за период символа, скорость передачи символов сигнала PAM4 должна достигать только половины сигнала NRZ. В результате потери сигнала, вызванные каналом передачи, значительно уменьшаются. Возможно, будут разработаны более высокие уровни напряжения для передачи информации, такой как сигналы PAM8 или даже PAM16, поскольку в подключенном мире с мгновенной передачей данных требуются большая скорость и полоса пропускания Ethernet. PAM4 имеет 2 бита на символ, 4 уровня символов и 3 глазковых диаграммы на UI; каждый период символа может передавать вдвое больше информации, чем NRZ.

 

 

Δ Глазковая диаграмма 10G NRZ, 25G NRZ и 56G PAM-4

 

PAM4 не является новейшим методом модуляции сигнала, потому что для передачи сигнала в наиболее часто используемом 3MBase-T Ethernet используются 100 уровня напряжения. Кроме того, модуляция 16QAM, модуляция 32QAM и модуляция 64QAM, применяемые в области беспроводной связи, все используют многоуровневые сигналы основной полосы частот для модуляции сигнала несущей. В качестве популярной технологии кодирования и передачи сигналов для высокоскоростной передачи сигналов в центрах обработки данных нового поколения PAM4 использовался для передачи электрических или оптических сигналов на 100G QSFP28 и интерфейсы 200G даже 400G.

 

3. Проблемы анализа сигнала PAM4

PAM4 - это метод 4-уровневой модуляции амплитудно-импульсного сигнала, который может отображать больше битовой логической информации, чем традиционные цифровые сигналы. Однако разработать и протестировать сигналы PAM4 непросто. Например, сигнал PAM4 имеет худшее отношение сигнал / шум (SNR), которое может достигать 9.5 дБ в том же состоянии системного шума.

 

Кроме того, в сигнале PAM16 имеется 4 состояний переключения, которые вызывают вертикальную асимметрию верхней и нижней глазковых диаграмм. Кроме того, ширина глаза, измеренная в точке пересечения и в середине высоты глаза, имеет тенденцию быть разной. Также более вероятно возникновение нелинейных проблем.

 

Δ Блок-схема генерации и тестирования сигналов Ethernet PAM4

 

Хотя скорость передачи символов сигнала PAM4 снижается, потеря канала на 10 дБ или более все равно приведет к полному закрытию глазковой диаграммы сигнала приемника. Следовательно, предварительное выделение на передающей стороне и выравнивание сигнала на приемной стороне являются двумя важными факторами с точки зрения разработки и тестирования сигнала PAM4.

 

4. Проблемы тестирования передатчика PAM4

Когда дело доходит до передатчиков на основе PAM4, существует несколько ключевых параметров тестирования, включая коэффициент ослабления, амплитуду оптической модуляции, TWDP (стоимость дисперсии длины волны передатчика), линейность передатчика и джиттер.

 

Электрические параметры передатчика PAM4 можно измерить с помощью осциллографа в реальном времени или стробоскопического осциллографа. Для сигнала 26.56 Гбод, определенного IEEE, рекомендуется использовать осциллограф с полосой пропускания не менее 33 ГГц для тестирования электрических параметров. Такой осциллограф построен на основе АЧХ фильтра Бесселя-Томсона четвертого порядка.

 

Δ Осциллографы для амплитудно-импульсной модуляции (PAM-4) Анализ передатчика

 

Для стробоскопического осциллографа требуется только модуль осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц или более, поскольку его частотная характеристика аналогична форме фильтра Бесселя-Томсона четвертого порядка. Но осциллограф реального времени обычно использует частотную характеристику типа кирпичной стены. Поэтому рекомендуется, чтобы модуль осциллографа имел полосу пропускания не менее 50 ГГц, чтобы смоделировать требуемую кривую частотной характеристики.

 

5. Устойчивость к помехам приемника PAM4

Для приемных устройств PAM4 устойчивость к помехам (устойчивость к резким сигналам) является одной из важнейших характеристик передатчика. Цель тестирования приемника PAM4 - ввести точный, но управляемый дефектный сигнал на приемную сторону. Таким образом, устойчивость к помехам может быть измерена в соответствии с изменением коэффициента ошибок по битам (BER).

 

6. Тестовая таблица OIF CEI 4.0 для PAM4

На следующих рисунках описан метод проверки устойчивости к помехам модуля 56G-VSR-PAM-4 в спецификации OIF CEI 4.0 Draft. В этой методологии измерительные устройства должны обладать достаточной гибкостью и возможностью настройки параметров. 

 

Δ Тестовая таблица для модулей Tx и Rx 56G-VSR-PAM-4

 

В этом случае данная установка для тестирования спецификации создает проблемы во многих аспектах. Например, вы должны подумать о том, как сгенерировать самоадаптивные или закодированные PRBS31Q PAM4 сигналы; как смоделировать предыскажение на передатчике. Поскольку детерминированный джиттер предсказуем по сравнению со случайным джиттером, вам также необходимо выяснить, как спроектировать свой передатчик и приемник, чтобы его устранить. Более того, такие вопросы, как моделирование вносимых потерь в канале, моделирование нарушения связи, вызванного соседними каналами, а также калибровка и корректировка сигнала при тестировании на соответствие, представляют собой огромные трудности в этой методологии тестирования.

 

7. Тестер коэффициента битовых ошибок (BER) для сигнала PAM4

Высокопроизводительный тестер коэффициента ошибок по битам, который может поддерживать гибкую настройку параметров для амплитудно-импульсной модуляции, является эффективным подходом к решению вышеуказанных проблем. Если тестируемое устройство (тестируемое устройство) имеет внутреннюю функцию прямого исправления ошибок, коэффициент ошибок по битам (BER) можно измерить с помощью этого внутреннего тестера. В противном случае полученные данные могут быть возвращены и переданы в модуль обнаружения ошибок тестера битовых ошибок. Таким образом, можно окончательно определить коэффициент ошибок по битам.

 

Помимо допуска к помехам линейности, еще одним ключевым параметром передатчика PAM4 являются возможности приема. Но также сложно определить, когда существуют джиттер, шум сигнала и межсимвольные помехи. К счастью, генератор сигналов в детекторе ошибок (или тестере BER) для генерации сигналов с джиттером, шумом и межсимвольными помехами может иметь значение. Такие сигналы вводятся в передатчик, и коэффициент ошибок по битам (BER) можно проверить с помощью подсчета внутренних ошибок или средств зацикливания данных. Этот вид сигнала, который используется для ввода в приемный конец для проверки запаса прочности, обычно называется сигналом напряжения.

 

Δ Высокоскоростное решение для измерения BER сигнала PAM4

 

По сравнению с Правилом 121 и Правилом 122 в IEEE 802.3bs, эта методология обеспечивает исправление повторяющихся ошибок для глазковой диаграммы оптических пределов, экономя часы калибровочного времени. В то время как программное обеспечение N4917BSCA может управлять и настраивать все необходимые инструменты для калибровки, чувствительности приемника и тестирования устойчивости к джиттеру.

 

8. Тестирование целостности сигнала PAM4 PLTS.

PLTS (система тестирования физического уровня) становится узким местом в системах высокоскоростной последовательной связи. Во времена сетей с низкой скоростью передачи данных длина уровня межблочного напряжения относительно мала. Целостность сигнала в основном связана с драйверами и приемниками.

 

Δ N4917BSCA для испытания стресс-сигнала оптического приемника


Когда скорость восстановления тактовой частоты, скорость шины и скорость соединения превышают гигабит в секунду, характеристики физического уровня играют все более и более важную роль в моделировании канала сигнала PAM4. Другой проблемой для инженеров-проектировщиков данных в настоящее время является тенденция цифрового проектирования к дифференциальной топологии, поскольку они должны анализировать все возможные режимы работы, чтобы иметь полное представление о характеристиках устройства. По мере того, как комбинированный анализ во временной и частотной областях становится все более и более важным, управление несколькими тестовыми системами становится все более и более сложным.

 

Заключение

Технология PAM4 может эффективно повысить эффективность использования полосы пропускания. Кроме того, PAM4 принимает формат модуляции высокого порядка, что снижает количество используемых оптических устройств, производительность, стоимость и мощность в различных приложениях. С появлением больших данных и облачных вычислений, а также с ростом трафика срочно требуется более сложный метод модуляции. Таким образом, PAM4 становится важнейшим методом модуляции сигнала в гипермасштабируемых центрах обработки данных., широко используется для передачи электрических или оптических сигналов на интерфейсах 200G / 400G.

 

Fiber Mall предлагает серию одинарных лямбда-оптических приемопередатчиков QSFP100 PAM28 4G, предназначенных для использования в 100 Gigabit Ethernet.  По мере того, как рынок переходит на модуляцию на основе PAM4, Fiber Mall продолжает преодолевать технические трудности и продвигается к решениям межсоединений 200G, 400G PAM4 в мире оптической связи.

 

 

 

 

 

Оставьте комментарий

Наверх